基于 PC 的控制技术助力现代展览馆展示装置生动展现中华传统文化的独特魅力
浙江大丰实业股份有限公司是国内领先的文体旅产业整体集成方案解决商。在杭州某国家级展览馆建设期间，大丰承揽了智能屏扇系统的开发工作。从远处看，青瓷屏扇就是一副中国古典山水画。在多达 251 樘、每樘均重达数吨的青瓷屏扇的同步运动中，倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术确保了系统的稳定安全。
该展览馆的核心功能为保藏、展示、研究和交流，是一座集图书馆、博物馆、美术馆、档案馆等多种场馆功能于一体的综合性场馆。其建筑随山就势，疏密有致。其中最夺人眼球的还是馆内的艺术青瓷屏扇门，它巧妙地将展览空间与外界相连，既能随时优雅地打开，又能轻轻合上。每扇门既可以呈折扇式，也可以排成一面平铺的屏风，如同宋代的画屏。经过独具匠心的策划设计，整个艺术青瓷屏扇门宛若一幅“千里江山图”，徐徐铺展出一幅宽逾五十米的壮丽青绿山水长卷，引人入胜。馆内共精心布置了 251 樘青瓷屏扇，使用了约 7 万片纯手工烧制的青瓷片。青瓷是该地区标志性的陶瓷艺术形式，以其独特的青绿色釉面著称，色泽温润如玉，是宋代（公元 960 年至 1279 年）这一文化最鼎盛时期极为流行的艺术品。这幅画同样也是这一时期的作品。倍福基于 PC 的控制系统确保了如此高大沉重的青瓷屏扇的平稳开合，在历史文化与尖端的自动化技术之间架起了一座视觉桥梁。
控制要求安全、平稳、精准
早在 2020 年，该展览馆就已经进入建设阶段。但由于单樘青瓷屏扇最大规格为 2.1 米 x 10.4 米，厚度为 22 厘米，重达 4 吨，对控制技术的要求非常严苛，因此让青瓷屏扇动起来的方案推进一度陷入了僵局。机械不仅要安全托起这些青瓷屏扇，还要保证它们在轨道上转动、平移过程中，不会因惯性震碎。
“装备制造行业平时和钢材打交道比较多，没看过哪个项目要对付青瓷的！”大丰总工程师严华锋感叹。此外，瓷片排布的空间密度决定了机械误差必须小。按照要求，当屏扇转动至同一平面时，它们相互之间的距离必须严格控制在 1 厘米以内。如果距离太宽，屏扇就会出现间隙，“千里江山图”也会少了一份美感。
这套由大丰研发的青瓷屏扇智能机械系统集运动控制、逻辑控制、安全监控、实时同步等技术于一身。系统嵌入了防晃动、叠加抛物线式的加速算法等多种算法，能保证青瓷屏扇平稳地“行走”16 条运动轨迹。据大丰介绍，设备的安全控制系统已达欧盟认证的最高标准 SIL3 等级。“我们在文化装备领域已经达到国际一流水平。”严华锋说道。
强大的 PC 控制系统
该控制系统的核心是 CX2040 嵌入式控制器，它搭载 Intel® Core™ i7 处理器，配备 4 GB 主内存和 Windows 10 操作系统。这一先进的 PC 控制平台，以其卓越的硬件计算性能，结合 TwinCAT 3 自动化软件的强大功能，为客户提供了遵循 IEC 61131-3 标准的灵活开发环境。结构化文本（ST）、功能块图（FBD）和梯形图（LD）的混合编程，极大地便利了客户算法程序、逻辑程序的开发。此外，基于 PLCopen 规范的 TwinCAT 3 运动控制库快速实现了运动控制功能的开发。
每樘青瓷屏按功能最多需要用 3 个轴，2 个轴控制平移，1 个轴控制旋转。整个馆内 251 樘青瓷扇使得每个控制器需要控制 100 多个轴同步。大丰使用 TwinCAT NC，通过复杂凸轮表的方式，给主轴位置指定一个相应的从动位置，规划了插补位置与速度，完美地达到了这些控制要求。采用 C# 高级语言开发的上位监控软件，通过 TwinCAT ADS 协议实现快速大数据量的数据交互。
EtherCAT 助力实现高精度伺服控制
EtherCAT 是迄今为止速度最快的工业以太网技术之一，相比传统现场总线，EtherCAT 的数据传输速率有了极大的提升。青瓷屏扇的运行精度因此得到显著提升。所有伺服轴使用分布式时钟功能进行控制，以同步系统中的所有节点，使得整个系统抖动时间远小于 1 μs。控制每樘青瓷屏需要使用3套伺服，3 个伺服驱动器通过一根网线接到 8 端口 EtherCAT 拓扑扩展模块 CU1128 的其中一个端口上。此外，系统还采用了热连接技术，因此在出现故障时，能够轻松实现插拔与更换操作，全程无需中断系统运行。
考虑设备运行的稳定性与可靠性，青瓷屏扇系统 采用了 TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy（TF6220）冗余环网技术。EtherCAT 电缆冗余功能将设备整个形成一个大的闭环，环路中的任一节点出现物理故障或连接故障都不会影响系统中其他设备的正常工作，避免了瞬时电磁干扰对整个系统的冲击，极大地降低了宕机的风险。
科技文化深入融合趋势
青瓷屏扇可配合使用场景以任意角度自由开合，在层叠变化中塑造深邃优雅的视觉感受，同时它也是该展览馆的点睛之处，并具有极高的安全防护水平，保障每一位参观者的安全。作为青瓷屏扇智能机械系统研发负责人，严华锋认为此项目成功的关键在于科技与文化的深度融合：“外界一般认为舞台机械是制造业。实际上，数字技术和文化创新赋能传统制造业的趋势已经非常明显！这次体现国家级智造水平的展览馆参建经历，必将是‘大丰’履历上浓墨重彩的一笔。”